大气湍流中目标跟踪研究

摘要

大气湍流中运动目标跟踪是一个重要的研究课题，在军事、非军事领域有着广泛的应用。本文结合国家自然科学基金项目——“大气湍流中光学主动跟踪视轴稳定性研究”，分别从大气随机信道光传输效应和跟踪算法两个方面研究克服大气湍流对目标跟踪性能影响的方法。 本文在详细分析了大气随机信道光传输效应后，将自适应光学(AO)应用于工作在大气环境中的目标跟踪系统中。考虑到光束在大气中传输的弯曲特性，对自适应光学校正斜程链路中光强闪烁的数学模型进行了修正。并且建立了自适应光学校正到达角起伏的数学模型，以及给出了自适应光学校正后的短曝光光学传递函数。同时，进行了计算机仿真实验验证。从实验结果来看，自适应光学能够有效地校正湍流的影响。 虽然自适应光学对大气湍流具有较好的校正效果，但不能完全校正湍流噪声，而且自适应光学系统本身也将不可避免地带来其它噪声。因此，需要选择一种适应该条件下的目标跟踪算法。而模板匹配跟踪算法具有可以跟踪复杂背景、低信噪比条件下目标的优越性，可靠性较高。但它的致命性缺点是：运算量大，难以满足目标跟踪系统的实时性要求。 本文对传统的模板匹配跟踪算法进行改进，提出基于图像块操作的模板匹配跟踪算法，不仅大大地减少了计算量，提高实时性，而且具有一定的抗噪能力。同时，由于被跟踪的目标不是一成不变的，它可能有尺度的伸缩、角度的旋转等变化，若单纯地使用固定模板或利用当前图像的最佳匹配位置处的图像作为模板进行下一帧图像的匹配，可能导致跟踪出错。因此在连续帧图像动态跟踪过程中，有必要对模板进行实时更新，以提高目标跟踪的可靠度。针对此问题，本文提出一种根据帧间、帧内置信度计算模板更新参数的自适应模板匹配跟踪方法，实验结果表明，该模板更新方法具有很强的适应性。

目录

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第一章绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状和问题

1.3本文主要工作

第二章大气吸收、散射、折射和大气湍流对光传输的影响

2.1大气衰减

2.1.1大气吸收

2.1.2大气散射

2.1.3大气衰减

2.2大气折射

2.2.1大气光路方程

2.2.2蒙气差

2.2.3天顶角

2.2.4大气层中光线轨迹方程

2.3大气湍流

2.3.1大气湍流基本理论知识

2.3.2大气湍流效应

2.3.3短曝光大气成像

2.4本章小结

第三章 自适应光学克服大气湍流的影响

3.1自适应光学基本原理

3.2自适应光学校正光强闪烁

3.2.1闪烁指数

3.2.2闪烁指数的自适应光学校正

3.3自适应光学校正到达角起伏

3.3.1到达角起伏方差

3.3.2 AO校正后的残余到达角起伏方差

3.3.3数值模拟分析

3.4自适应光学校正后的短曝光光学传递函数

3.4.1自适应光学校正后的短曝光大气成像光学传递函数

3.4.2数值模拟分析

3.5本章小结

第四章模板匹配跟踪算法研究

4.1模板匹配原理

4.2模板匹配技术的研究内容

4.2.1相似性测度

4.2.2搜索策略

4.3模板匹配技术的分类

4.4匹配性能

4.4.1匹配性能描述

4.4.2影响匹配性能的各种误差因素

4.5模板自适应刷新策略

4.5.1跟踪置信度

4.5.2模板更新策略

4.6残余噪声条件下模板匹配跟踪算法研究

4.6.1残余噪声条件下模板匹配跟踪算法

4.6.2实验结果与分析

4.7本章小结

第五章结束语

5.1主要工作及结论

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果